李俊萍，靳 鴻，張艷兵

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

基于CY7C68013的存儲(chǔ)器測(cè)試臺(tái)的USB通信設(shè)計(jì)

李俊萍，靳 鴻*，張艷兵

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

為了對(duì)飛行器存儲(chǔ)器進(jìn)行測(cè)試，需存儲(chǔ)器測(cè)試臺(tái)與飛行器存儲(chǔ)器之間完成數(shù)據(jù)通信。由于USB總線(xiàn)技術(shù)具有成本低、數(shù)據(jù)傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)等的優(yōu)點(diǎn)，這里選用USB總線(xiàn)來(lái)完成測(cè)試臺(tái)與存儲(chǔ)器之間的通信，用CY7C68013芯片作為USB通信的控制芯片。選用 Keil μvision2作為 USB通信軟件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。通過(guò)上位機(jī)軟件編程來(lái)控制測(cè)試臺(tái)CY7C68013與信號(hào)源模塊，CY7C68013與固態(tài)存儲(chǔ)器之間的通信。通過(guò)對(duì)USB通信硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)，最終完成測(cè)試臺(tái)的USB通信設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的和要求。

存儲(chǔ)器;USB;CY7C68013;通信

USB總線(xiàn)可以很方便與PC機(jī)進(jìn)行連接，并且USB接口可以為外界提供電源［1］。這里為了完成上位機(jī)，存儲(chǔ)器，測(cè)試臺(tái)之間的通信，用CY7C68013作為USB通信的控制芯片，使得開(kāi)發(fā)過(guò)程更簡(jiǎn)單和廉價(jià)，同時(shí)也大大提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期［2］。

1 USB通信總體設(shè)計(jì)

USB總線(xiàn)通信模塊在地面綜合測(cè)試臺(tái)工作過(guò)程中起連接作用，它將信號(hào)源模塊(這里的測(cè)試信號(hào)由兩片MSP430來(lái)產(chǎn)生)、供電模塊分別與上位機(jī)(這里的上位機(jī)軟件用VB編寫(xiě))連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下層各個(gè)模塊之間的通信。USB總線(xiàn)通信模塊框圖如圖1所示。

圖1 USB總線(xiàn)通信模塊框圖

當(dāng)采用低速讀數(shù)模式時(shí)，PA0和PA1控制兩個(gè)繼電器產(chǎn)生15 V起飛信號(hào)和28 V啟動(dòng)存儲(chǔ)信號(hào)，當(dāng)固態(tài)存儲(chǔ)器收到起飛信號(hào)后，CY7C68013經(jīng)過(guò)串口0給固態(tài)存儲(chǔ)器發(fā)送RS-485讀數(shù)命令，固態(tài)存儲(chǔ)器每次收到讀數(shù)命令后發(fā)送開(kāi)始讀數(shù)命令，然后經(jīng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳輸至上位機(jī)并存儲(chǔ)。

當(dāng)采用高速讀數(shù)模式時(shí)，PA0和PA1控制兩個(gè)繼電器產(chǎn)生15 V起飛信號(hào)和28 V啟動(dòng)存儲(chǔ)信號(hào)，當(dāng)固態(tài)存儲(chǔ)器收到起飛信號(hào)后，CY7C68013經(jīng)過(guò)串口0給固態(tài)存儲(chǔ)器發(fā)送RS-485讀數(shù)指令，固態(tài)存儲(chǔ)器每次收到讀數(shù)命令后發(fā)送開(kāi)始讀數(shù)命令，高速讀數(shù)采用的是GPIF模式，GPIF產(chǎn)生一個(gè)地址(GPIFADR［8:0］)，驅(qū)動(dòng)FIFO數(shù)據(jù)總線(xiàn)，然后，在CTL0輸出拉低后，等待一個(gè)外部提供的握手信號(hào)(RDY0)變低，當(dāng)RDY0信號(hào)返回高電平時(shí)，GPIF也將CTL0帶回高電平，數(shù)據(jù)經(jīng)PB［7:0］從高速讀數(shù)口傳輸至上位機(jī)并存儲(chǔ)。

2 USB通信的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

USB通信模塊由主控芯片 CY7C68013、芯片MAX3491、I2C總線(xiàn)電路及一些外圍電路組成。

2.1.1 主控芯片CY7C68013配置設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)USB接口的數(shù)據(jù)通信，CY7C68013可配置為3種模式:端口模式、GPIF模式、Slave FIFO模式［3-5］。地面測(cè)試臺(tái)在數(shù)據(jù)回讀的過(guò)程中采用了低速讀數(shù)和高速讀數(shù)兩種模式。低速讀數(shù)采用RS-485差分信號(hào)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)(≥100 m)，采用開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單且開(kāi)發(fā)周期短的端口模式;高速讀數(shù)數(shù)據(jù)傳輸距離短(≤5 m)，由于GPIF模式采用的是FX2的管道連接方法，單片機(jī)的CPU不參與數(shù)據(jù)傳輸，開(kāi)發(fā)速率較高，所以高速讀數(shù)時(shí)采用 GPIF模式。

2.1.2 RS-485通信電路設(shè)計(jì)

考慮到地面綜合測(cè)試臺(tái)可能需在高溫環(huán)境下工作，RS-485適用于環(huán)境相當(dāng)惡劣的場(chǎng)合以及傳輸距離比較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，并能很好的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。這里采用全雙工通信的RS-485接口芯片MAX3491。MAX3491有一個(gè)輸出腳可以直接與CY7C68013的 TxD 腳相連，一個(gè)輸出腳與CY7C68013的 RxD 腳相連，當(dāng)接收到來(lái)自CY7C68013的信息時(shí)，可立刻通過(guò)傳輸線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器將TTL邏輯電平轉(zhuǎn)換成差動(dòng)電壓發(fā)送出去，同時(shí)，當(dāng)接收到差動(dòng)電壓時(shí)，可立即轉(zhuǎn)換成邏輯電平給CY7C68013處理。

2.1.3 I2C電路設(shè)計(jì)

FX2的 I2C總線(xiàn)控制器可以完成兩個(gè)目標(biāo):第1，用于管理串行EEPROM接口自動(dòng)運(yùn)行，在上電時(shí)決定枚舉的模式;第2，CY7C68013一旦開(kāi)始工作，I2C總線(xiàn)控制器就作為一般用途，固件程序能夠?qū)λM(jìn)行存取操作。

I2C總線(xiàn)的兩個(gè)引腳SDA和SCL上各自連接了一個(gè)2.2 K的上拉電阻，用來(lái)提高總線(xiàn)輸出的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)適當(dāng)?shù)拇罱覧EPROM的地址線(xiàn)。搭接引導(dǎo)EEPROM地址線(xiàn)的具體值的表格如表1所示。本設(shè)計(jì)采用的是EEPROM為8K的ATMEL24C64，三根地址線(xiàn)A0、A1、A2搭接為1、0、0。

表1 搭接引導(dǎo)EEPROM地址線(xiàn)的具體值

3 USB通信的固件程序設(shè)計(jì)

所有基于微控制器及其外圍電路的功能設(shè)備的正常工作都離不開(kāi)固件的參與，固件的作用就是輔助硬件或者說(shuō)是控制硬件來(lái)完成預(yù)期的設(shè)備功能口［6］。

本模塊中固件程序的主要功能有:

(1)完成所需設(shè)備的初始化工作和一些特殊寄存器初值的設(shè)置。

(2)設(shè)備的重新枚舉。包括模擬設(shè)備的斷開(kāi)和重新連接、響應(yīng)主機(jī)的請(qǐng)求、完成對(duì)主機(jī)的配置任務(wù)。

(3)完成CY7C68013固件程序?qū)?shù)據(jù)接收和發(fā)送的端點(diǎn)配置，以保證 USB設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的正確收發(fā)。

(4)中斷響應(yīng)。USB接口在設(shè)備枚舉、響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)收發(fā)等過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，并能正確的處理中斷請(qǐng)求，保證USB設(shè)備的正常工作。

(5)外圍電路的控制，完成USB對(duì)RS-485通信接口和MSP430F1611的狀態(tài)命令的收發(fā)。

3.1 端點(diǎn)配置

本設(shè)計(jì)在高速讀數(shù)過(guò)程中，采用的是端點(diǎn)模式，數(shù)據(jù)雙向傳輸，因此選擇EP0、EP2、EP6來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，EP0不需要配置寄存器，被固定配置為有效IN/OUT控制端點(diǎn);固件程序?qū)P2設(shè)置為IN端點(diǎn)，將其分配2 K的緩沖區(qū)，用來(lái)把讀取的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī);固件程序?qū)P6設(shè)置為OUT端點(diǎn)，將其分配512 byte的緩沖區(qū)，用來(lái)將計(jì)算機(jī)的命令發(fā)送給固態(tài)存儲(chǔ)器。

3.2 通用可編程接口(GPIF)設(shè)置

這里使用8位數(shù)據(jù)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)CY7C68013與固態(tài)存儲(chǔ)器MSP430F1611之間的數(shù)據(jù)通信，使用CTL0控制輸出信號(hào)作為固態(tài)存儲(chǔ)器Flash的讀時(shí)鐘信號(hào)rclk，使用RDY0判斷固態(tài)存儲(chǔ)器的讀數(shù)使能標(biāo)志。

圖2為GPIF讀配置波形圖。一個(gè)波形由多達(dá)7個(gè)可編程狀態(tài)構(gòu)成，它們是S0～S6以及一個(gè)特定的空閑狀態(tài)S7，當(dāng)GPIF程序轉(zhuǎn)移到空閑狀態(tài)時(shí)，則波形終止。每個(gè)狀態(tài)可以是兩個(gè)基本類(lèi)型之一:非判決點(diǎn)(NDP)和判決點(diǎn)(DP)。對(duì)于非判決點(diǎn)，它在一個(gè)單位IFCLK周期中，具有一個(gè)可編程固定的持續(xù)時(shí)間;對(duì)于判決點(diǎn)狀態(tài)，先判斷采集信號(hào)上的操作產(chǎn)生的結(jié)果，若結(jié)果為邏輯1，則通過(guò)轉(zhuǎn)移到一個(gè)狀態(tài)，若結(jié)果為邏輯0，轉(zhuǎn)移到不同的狀態(tài)，其中IFCLK是默認(rèn)的內(nèi)部時(shí)鐘48 MHz。

圖2 GPIF讀配置波形圖

在上述GPIF讀配置波形中，S2和S6為判決點(diǎn)狀態(tài)。對(duì)于判決點(diǎn)S2，當(dāng)檢測(cè)到為邏輯0時(shí)，表示Flash的寫(xiě)地址和讀數(shù)命令未完成，不可讀數(shù)，跳入S0狀態(tài)，等待讀數(shù);當(dāng)檢測(cè)到為邏輯1時(shí)，表示Flash的寫(xiě)地址和讀數(shù)命令完成，可以讀數(shù)，跳入S3狀態(tài)，開(kāi)始讀數(shù)。對(duì)于判決點(diǎn)S6，當(dāng)檢測(cè)到TCXpire為邏輯0時(shí)，表示未讀完Flash當(dāng)前頁(yè)中的2 048 byte的數(shù)據(jù)，跳入S3狀態(tài)，繼續(xù)讀數(shù);當(dāng)檢測(cè)到TCXpire為邏輯1時(shí)，表示已讀完Flash當(dāng)前頁(yè)中2 048 byte的數(shù)據(jù)，跳入Idle狀態(tài)。然后進(jìn)入下一個(gè)讀數(shù)狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)全部讀取完畢。

3.3 軟件程序的開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

USB通信模塊的程序是用Keil μ vision2編寫(xiě)，計(jì)算機(jī)讀數(shù)處理軟件采用Visual Basic編寫(xiě)。USB通信模塊的程序流程圖如圖3所示。

3.3.1 USB通信模塊控制信號(hào)源的固件程序

圖3 USB通信模塊程序流程圖

使用CY7C68013單片機(jī)串口UART1接口，接收到VB相應(yīng)指令后開(kāi)始發(fā)數(shù)，發(fā)數(shù)內(nèi)容為控制MSP430F1611發(fā)送相應(yīng)頻率的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)(共5 byte)。數(shù)據(jù)格式采用標(biāo)準(zhǔn)的串行方式，低位先發(fā)送，高字節(jié)先發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送波特率為115.2 kbit/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。

CY7C68013單片機(jī)每次接收到VB的指令B5后，CY7C68013單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的命令給MSP430F1611。具體命令定義見(jiàn)表2。其中XXH的定義具體見(jiàn)表3。

表2 UART1與MSP430F1611通信命令定義

表3 UART1與MSP430F1611通信命令XXH具體定義

MSP430F1611收到CY7C68013發(fā)送的相應(yīng)命令后，把最后一個(gè)有效命令字節(jié)XXH通過(guò)異步串口發(fā)送給CY7C68013。CY7C68013收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)并上傳給計(jì)算機(jī)VB程序，VB程序中比較得出本次命令是否發(fā)送成功。

3.3.2 USB通信模塊控制數(shù)據(jù)讀取的固件程序

RS-485接口讀數(shù):使用CY7C68013串口UART0接口，給固態(tài)存儲(chǔ)器發(fā)送RS-485讀數(shù)指令，發(fā)送內(nèi)容為讀數(shù)起始位置和數(shù)量(以MB為單位)。數(shù)據(jù)格式采用標(biāo)準(zhǔn)的串行方式，低位先發(fā)送，高字節(jié)先發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送波特率為115.2 kbit/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。

固態(tài)存儲(chǔ)器每次收到讀數(shù)地址指令后將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)CY7C68013。表4為RS-485通信命令定義。

表4 RS-485通信命令定義

CY7C68013接收到固態(tài)存儲(chǔ)器返回的數(shù)據(jù)后，發(fā)送開(kāi)始讀數(shù)命令，立即進(jìn)入低速讀數(shù)狀態(tài)。表5為開(kāi)始讀數(shù)命令。

表5 開(kāi)始讀數(shù)命令

CY7C68013單片機(jī)內(nèi)部集成的USB2.0的SIE能完成大部分USB2.0協(xié)議的處理工作，從而減少了用戶(hù)對(duì)繁雜的USB協(xié)議的處理。用戶(hù)在使用該單片機(jī)與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只需直接利用GPIF接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備之間的邏輯連接，就可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的傳輸［7］。

高速讀數(shù):使用串口UART0接口，給固態(tài)存儲(chǔ)器發(fā)送讀數(shù)指令，發(fā)送內(nèi)容為讀數(shù)起始位置和數(shù)量(以MB(Mbyte)為單位)。數(shù)據(jù)格式采用標(biāo)準(zhǔn)的串行方式，低位先發(fā)送，高字節(jié)先發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送波特率為115.2 kbit/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。

固態(tài)存儲(chǔ)器每次收到讀數(shù)地址指令后將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)CY7C68013。表6為GPIF通信命令定義。

表6 GPIF通信命令定義

CY7C68013接收到固態(tài)存儲(chǔ)器返回的數(shù)據(jù)后，發(fā)送開(kāi)始讀數(shù)命令，立即進(jìn)入高速讀數(shù)狀態(tài)。表7為開(kāi)始讀數(shù)命令。

表7 開(kāi)始讀數(shù)命令

啟動(dòng)存儲(chǔ)信號(hào)(28 V):CY7C68013收到計(jì)算機(jī)VB發(fā)的命令B7后，把PA 1置高，并保持50 ms。

起飛信號(hào)(15 V):CY7C68013收到計(jì)算機(jī)VB發(fā)的命令BD后，把PA0置高，并保持50 ms。

4 USB通信系統(tǒng)的測(cè)試

將存儲(chǔ)器，測(cè)試臺(tái)，上位機(jī)連接起來(lái)。當(dāng)USB接口接入PC后，首先進(jìn)行PC的設(shè)備搜索，從USB端獲得設(shè)備的VI D/PI D以及USB芯片的工作方式;然后PC機(jī)通過(guò)得到的VI D/PI D獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，保證設(shè)備的工作。與此同時(shí)，USB芯片上電開(kāi)始，MCU開(kāi)始從EZ PROM中獲取MCU的工作狀態(tài)、采用的工作模式、數(shù)據(jù)傳輸方式、所用到傳輸方式端點(diǎn)的大小以及傳輸方向，并對(duì)接口器件進(jìn)行相應(yīng)芯片寄存器的初始化［8］。系統(tǒng)上電以后，計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口給信號(hào)源模塊發(fā)送命令，信號(hào)源模塊接收到發(fā)送的命令以后產(chǎn)生模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口模塊發(fā)送命令控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用CY7C68013串口通信給固態(tài)存儲(chǔ)器發(fā)送1路起飛信號(hào)，1路啟動(dòng)存儲(chǔ)信號(hào)，固態(tài)存儲(chǔ)器接收到啟動(dòng)存儲(chǔ)信號(hào)后開(kāi)始采編各路模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)，采編完成后自動(dòng)停止存儲(chǔ)。存儲(chǔ)完成后，發(fā)送1路起飛信號(hào)。計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口模塊發(fā)送命令控制讀數(shù)接口模塊，利用CY7C68013串口通信給固態(tài)存儲(chǔ)器發(fā)送讀數(shù)命令，進(jìn)入讀數(shù)狀態(tài)。低速讀數(shù)時(shí)，地面綜合測(cè)試臺(tái)和固態(tài)存儲(chǔ)器之間用RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;高速讀數(shù)時(shí)，地面綜合測(cè)試臺(tái)和固態(tài)存儲(chǔ)器之間用普通8位并行接口進(jìn)行傳輸。

經(jīng)測(cè)試，USB的通信設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能和目的。下面是測(cè)試過(guò)程中的一些數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)讀取的頻率為1kHz的速變信號(hào)的波形如圖4所示。

圖4 上位機(jī)讀取的模擬信號(hào)源數(shù)據(jù)

計(jì)算機(jī)讀取的RS-422數(shù)字量的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 上位機(jī)回讀的數(shù)字信號(hào)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)器測(cè)試臺(tái)的USB通信設(shè)計(jì)，完成了存儲(chǔ)器，測(cè)試臺(tái)，上位機(jī)之間的通信要求。對(duì)于存儲(chǔ)器測(cè)試臺(tái)功能和性能的完善具有重要意義，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的測(cè)試也起到了橋梁作用。

［1］ 肖峰，劉明.USB接口的RS485信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009(6):53-55.

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李俊萍(1986- )，女，漢族，山西省呂梁市孝義人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器，347806919 @qq.com;

靳 鴻(1974- )，女，漢族，河北阜平人，博士，副教授，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的微型化及智能儀器，jinhong @nuc.edu.cn;

張艷兵(1977- )，男，漢族，山西省太原市人，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制，信號(hào)與信息處理等，zhangyanbing @nuc.edu.cn。

Design of Communication about the Memory Test Bench Based on CY7C68013

LI Junping，JIN Hong*，ZHANG Yanbing
(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In order to fully test the aircraft memory，it’s needed to complete data communication between memory test bench and aircraft memory.USB bus technology has the advantage of cost，speed of data transmission，anti-interference ability and so on，so it is selected to complete the communication between the memory and the test bench. CY7C68013 chip is selected as the USB communication control chip.Keil μvision2 is selected as USB communication software design development environment.The communication between the test bench CY7C68013 and signal source module，CY7C68013 and solid state memory is controlled by PC software program.The final completion of the USB communication design of the test bench includes the design of USB hardware circuit and software program. It achieves the purpose and requirements of the design on test.

memory;USB;CY7C68013;communication

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.042

TN919.1

A

1005－9490(2014)02－0361－06

2013-07-12修改日期:2013-08-11

EEACC:6100;7210B